WO2005073517A1 - Strömungsmaschine - Google Patents

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Andreas Ulma
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    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/502—Thermal properties

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine with an inner housing and a rotatably mounted turbine shaft.
  • a steam turbine as an embodiment of a turbomachine in the context of the present application is understood to mean any turbine or part turbine through which a working medium flows in the form of steam.
  • gas turbines are traversed with gas and / or air as the working medium, which, however, is subject to completely different temperature and pressure conditions than the steam in a steam turbine.
  • gas turbines has steam turbines z.
  • the working medium with the highest temperature, which flows into a partial turbine has the highest pressure.
  • a steam turbine usually comprises a turbine-shaft-bearing, rotatably mounted turbine shaft which is arranged inside an inner housing. When flowing through the interior of the housing formed by the inner space of the flow space with heated and pressurized steam, the turbine shaft is rotated via the blade by the steam in rotation.
  • the blades of the turbine shaft are also referred to as blades.
  • guide vanes are usually suspended, which engage in the intermediate spaces of the rotor blades.
  • the inner housing can also be called a housing shell.
  • a vane is typically held at a first location along an interior of the steam turbine casing. In this case, it is usually part of a vane ring, which comprises a number of vanes, which are arranged along an inner circumference of the inner housing. Each Leitschaufei points with its blade radially inward.
  • Steam turbines or steam turbine engines can be divided into high-pressure, medium-pressure or low-pressure turbine sections. The inlet temperatures and inlet pressures of high-pressure turbine sections may be 600 ° C or 300 bar.
  • Single-stage steam turbines which represent a combination of a high-pressure and a medium-pressure steam turbine. These steam turbines are characterized by a common housing and a common turbine shaft and are also referred to as compact turbine sections.
  • a material made of chromium-containing material is usually used.
  • the chromium-containing material is usually a chromium steel with 9 to 12 wt.% Chromium content. So far, the same material was used as material for the inner housing, which is also used for the turbine shaft. This was justified with necessarily the same coefficients of thermal expansion for the shaft and the housing.
  • the use of the chromium-containing material for the turbine shaft and the inner housing leads to cost-intensive embodiments of a steam turbine.
  • the object of the present invention is to provide a turbomachine, in particular a steam turbine, with an inner housing and a rotatably mounted turbine shaft, which can be designed to be simpler in terms of production.
  • a turbomachine with an inner housing and a rotatably mounted turbine shaft, wherein the inner housing and the turbine shaft are made of different materials, wherein the inner housing is made of a material with low heat resistance, as the material from which the turbine shaft is made , wherein the turbine shaft is made of a chromium steel with 9 to 12 wt.% Chromium and the inner housing of a chromium frame with 1 to 2 wt.% Chromium.
  • the invention is based on the finding that the use of the same high chromium-containing materials for both the turbine shaft and the inner housing is not necessary. It was surprisingly found that the
  • Thermal expansion for high steam conditions in the masses used for the turbine shaft and the inner housing are less than a predetermined tolerance limit.
  • the possibility is created to use for the inner housing a material that has a lower heat resistance compared to the material used for the turbine shaft.
  • the material used for the inner case may have higher mechanical strength.
  • Hot strength is understood to mean a permissible stress stress at high temperatures.
  • a chrome steel with 9 to 12 wt.% Chromium has a high
  • a chrome steel with 1 Although up to 2% by weight of chromium has a lower heat resistance than chromium steel with 9 to 12% by weight of chromium, it does have a higher mechanical strength. Therefore, a chromium steel with 1 to 2 wt.% Chromium is very well suited in environments with lower thermal loads. In particular, this is
  • Chromium steel suitable for inner housings in steam turbines with high steam conditions Chromium steel suitable for inner housings in steam turbines with high steam conditions.
  • the inner housing and the turbine shaft at least partially on areas that are designed for use at temperatures above 550 ° C.
  • various materials for the inner casing and for the turbine shaft is particularly suitable in steam turbines, high-pressure turbine sections, medium-pressure turbine sections, combined high-pressure and medium-pressure turbine sections or combined medium-pressure and low-pressure turbine sections.
  • the various materials can be used in pumps, compressors, gas turbines or compressors.
  • FIG. 1 a sectional view of a compact steam turbine 1 is shown.
  • the compact steam turbine 1 has an outer housing 2, in which a turbine shaft 3 is rotatably mounted about a rotation axis 4.
  • the compact steam turbine 1 has an inner housing 5 with a high-pressure part 6 and a medium-pressure part 7. In the high pressure part 6 different vanes 8 are attached. In the middle pressure part 7, a number of vanes 9 is also attached.
  • the turbine shaft 3 is rotatably supported by bearings 10, 11.
  • the inner housing 5 is connected to the outer housing 2.
  • the steam turbine 1 has a high-pressure section 12 and a medium-pressure section 13. In the high pressure section 12 blades 14 are mounted. In the middle pressure section 13 as well blades 15 are attached.
  • the live steam flows through the individual guide vanes 8 and rotor blades 14 in the high-pressure part 12 and is thereby expanded and cooled.
  • the inner housing 5 and the turbine shaft 3 should be designed for temperatures above 550 ° C.
  • the thermal energy of the live steam is converted into rotational energy of the turbine shaft 3.
  • the turbine shaft 3 is thereby rotated in a direction shown about the rotation axis 4 in rotation.
  • the turbine shaft 3 is mounted in a bearing area 23 with the outer housing 5.
  • the blades 14, 15 are not shown in detail.
  • the live steam initially strikes the middle region 16 of the turbine shaft 3 and relaxes in the high-pressure part 6.
  • the live steam cools down here.
  • the reheater the steam expanded from the high-pressure part flows back into the middle region 20 at a high temperature.
  • the reheated steam initially flows at the location of the medium-pressure inflow region 18 onto the turbine shaft 3 and relaxes and cools in the direction of the medium-pressure part 7 ,
  • the relaxed and cooled in the middle pressure part 7 steam then flows then from the compact turbine part 1.
  • the turbine shaft 3 has a high heat resistant material.
  • the high-temperature resistant material is a chromium steel with 9 to 12 wt.% Chromium content.
  • the inner housing 5 is made of a different material.
  • the inner housing 5 is made of a material with lower heat resistance than the material from which the turbine shaft 3 is made.
  • the inner housing is made in particular of a chromium steel with 1 to 2 wt.% Chromium.
  • Different materials can be used for the turbine shaft 3 and for the inner casing 5 in high-pressure turbine sections, in medium-pressure turbine sections, combined high-pressure and medium-pressure turbine sections or combined medium-pressure and low-pressure turbine sections, pumps, compressors, gas turbines or compressors.

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Abstract

Strömungsmaschine Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Innengehäuse (5) und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (5) und die Turbinenwelle (3) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei die Turbinenwelle (3) aus einem Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom und das Innengehäuse (5) aus einem Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom hergestellt ist.

Description

Beschreibung
Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Innengehäuse und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle.
Unter einer Dampfturbine als Ausführungsform einer Strömungsmaschine im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird jede Tur- bine oder Teilturbine verstanden, die von einem Arbeitsmedium in Form von Dampf durchströmt wird. Im Unterschied dazu werden Gasturbinen mit Gas und/oder Luft als Arbeitsmedium durchströmt, das jedoch völlig anderen Temperatur- und Druckbedingungen unterliegt als der Dampf bei einer Dampfturbine. Im Gegensatz zu Gasturbinen weist bei Dampfturbinen z. B das einer Teilturbine zuströmende Arbeitsmedium mit der höchsten Temperatur gleichzeitig den höchsten Druck auf. Eine Dampfturbine umfasst üblicherweise eine mit Schaufeln besetzte drehbar gelagerte Turbinenwelle, die innerhalb eines Innenge- häuses angeordnet ist. Bei Durchströmung des vom Innengehäuse gebildeten Innenraums des Strömungsraums mit erhitztem und unter Druck stehendem Dampf wird die Turbinenwelle über die Schaufel durch den Dampf in Drehung versetzt.
Die Schaufeln der Turbinenwelle werden auch als Laufschaufeln bezeichnet. Am Innengehäuse sind darüber hinaus üblicherweise Leitschaufeln aufgehängt, welche in die Zwischenräume der Laufschaufeln greifen. Das Innengehäuse kann man auch als Gehäusemantel bezeichnen. Eine Leitschaufel ist üblicherweise an einer ersten Stelle entlang einer Innenseite des Dampfturbinengehäuses gehalten. Dabei ist sie üblicherweise Teil eines Leitschaufelkranzes, welcher eine Anzahl von Leitschaufeln umfasst, die entlang eines Innenumfangs des Innengehäuses angeordnet sind. Dabei weist jede Leitschaufei mit ihrem Schaufelblatt radial nach innen. Dampfturbinen oder Dampfteilturbinen können in Hochdruck-, Mitteldruck- oder Niederdruck-Teilturbinen eingeteilt werden. Die Eingangstemperaturen und Eingangsdrücke bei Hochdruck- Teilturbinen können 600°C bzw. 300 bar betragen.
Es sind eingehäusige Dampfturbinen bekannt, die eine Kombination aus einer Hochdruck- und einer Mitteldruckdampfturbine darstellen. Diese Dampfturbinen sind gekennzeichnet durch ein gemeinsames Gehäuse und eine gemeinsame Turbinenwelle und werden auch als Kompakt-Teilturbinen bezeichnet.
Bei Dampfturbinen für höhere Dampfzustände wird üblicherweise ein Material aus hochchromhaltigem Werkstoff eingesetzt. Der hochchromhaltige Werkstoff ist üblicherweise ein Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chromanteil. Bisher wurde als Material für das Innengehäuse der gleiche Werkstoff eingesetzt, der auch für die Turbinenwelle eingesetzt wird. Dies wurde mit notwendigerweise gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Welle und das Gehäuse begründet. Der Einsatz des hoc chröm- haltigen Werkstoffes für die Turbinenwelle und das Innengehäuse führt zu kostenintensiven Ausführungsformen einer Dampfturbine .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsma- schine, insbesondere Dampfturbine, mit einem Innengehäuse und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle anzugeben, die ferti- gungsorientiert einfacher ausgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine mit einem Innengehäuse und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle, wobei das Innengehäuse und die Turbinenwelle aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei das Innengehäuse aus einem Material mit geringer Warmfestigkeit hergestellt ist, als das Material, aus dem die Turbinenwelle hergestellt ist, wobei die Turbinenwelle aus einem Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom und das Innengehäuse aus einem Chromgestell mit 1 bis 2 Gew.% Chrom hergestellt ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Einsatz von gleichen hochchromhaltigen Werkstoffen sowohl für die Turbinenwelle als auch für das Innengehäuse nicht notwendig ist. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die
Wärmeausdehnung für hohe Dampfzustände bei den eingesetzten Massen für die Turbinenwelle und des Innengehäuses geringer sind als eine vorgegebene Toleranzgrenze.
Bisher wurde bei der Fertigung von Strömungsmaschinen, insbesondere Dampfturbinen, gleichartige Werkstoffe für die Turbinenwelle als auch für das Innengehäuse eingesetzt. Um eine Dampfturbine schnell zu fertigen, müssen die Materialien für das Innengehäuse und für die Turbinenwelle zeitnah verfügbar sind. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, unterschiedliche Materialien für das Innengehäuse und die Turbinenwelle einzusetzen ist es möglich, eine Dampfturbine fertigungsorientiert einfacher auszubilden.
Durch den Einsatz von einem Material für das Innengehäuse mit geringerer Warmfestigkeit als das Material für die Turbinenwelle ist es möglich, eine Strömungsmaschine kostengünstiger auszubilden, da Material mit hoher Warmfestigkeit üblicherweise teurer ist als Material mit geringerer Warmfestigkeit.
Darüber hinaus wird die Möglichkeit geschaffen, für das Innengehäuse ein Material einzusetzen, das gegenüber dem Material, das für die Turbinenwelle eingesetzt wird, eine geringere Warmfestigkeit besitzt. Außerdem kann das Material, das für das Innengehäuse eingesetzt wird, eine höhere mechanische Festigkeit besitzen.
Mit Warmfestigkeit wird eine zulässige Spannungsbeanspruchung bei hohen Temperaturen verstanden.
Ein Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom besitzt eine hohe
Warmfestigkeit, die besonders beim Einsatz für Turbinenwellen bei hohen Dampfzuständen notwendig ist. Ein Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom besitzt zwar eine geringere Warmfestigkeit als der Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom, dafür aber eine höhere, mechanische Festigkeit. Daher ist ein Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom sehr gut in Umgebungen mit geringeren thermischen Belastungen geeignet. Insbesondere ist dieser
Chromstahl für Innengehäuse in Dampfturbinen mit hohen Dampfzuständen geeignet.
Vorzugsweise weisen das Innengehäuse und die Turbinenwelle zumindest teilweise Bereiche auf, die zum Einsatz bei Temperaturen über 550 °C ausgebildet sind.
Der Einsatz von verschiedenen Materialien für das Innengehäuse und für die Turbinenwelle ist besonders geeignet in Dampfturbinen, Hochdruck-Teilturbinen, Mitteldruck-Teilturbinen, kombinierten Hochdruck- und Mitteldruck-Teilturbinen oder kombinierten Mitteldruck- und Niederdruck-Teilturbinen. Ebenso können die verschiedenen Materialien in Pumpen, Verdichtern, Gasturbinen oder Kompressoren eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Dabei haben mit denselben Bezugszeichen versehene Komponenten die gleiche Funktionsweise .
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt im Einzelnen: ein Schnittbild durch eine Kompakt-Teilturbine.
In der Figur ist ein Schnittbild einer Kompakt-Dampfturbine 1 dargestellt. Die Kompakt-Dampfturbine 1 weist ein Außengehäuse 2 auf, in dem eine Turbinenwelle 3 um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagert ist. Die Kompakt-Dampfturbine 1 weist ein Innengehäuse 5 mit einem Hochdruckteil 6 und einem Mitteldruckteil 7 auf. Im Hochdruckteil 6 sind verschiedene Leitschaufeln 8 angebracht. Im Mitteldruckteil 7 ist ebenso eine Anzahl von Leitschaufeln 9 angebracht. Die Turbinenwelle 3 ist mittels Lagern 10, 11 drehbar gelagert. Das Innengehäuse 5 ist mit dem Außengehäuse 2 verbunden.
Die Dampfturbine 1 weist einen Hochdruckabschnitt 12 und einen Mitteldruckabschnitt 13 auf. Im Hochdruckabschnitt 12 sind Laufschaufeln 14 angebracht. Im Mitteldruckabschnitt 13 sind ebenso Laufschaufeln 15 angebracht.
Frischdampf mit Temperaturen von über 550°C und einem Druck von über 250 bar strömt in einen Einströmbereich 16. Der Frischdampf durchströmt die einzelnen Leitschaufeln 8 und Laufschaufeln 14 im Hochdruckteil 12 und wird hierbei ent- spannt und abgekühlt. Zumindest in diesem Bereich sollte das Innengehäuse 5 und die Turbinenwelle 3 für Temperaturen über 550 °C ausgebildet sein. Hierbei wird die thermische Energie des Frischdampfes in Rotationsenergie der Turbinenwelle 3 umgewandelt. Die Turbinenwelle 3 wird dadurch in eine um die Rotationsachse 4 dargestellte Richtung in Drehung versetzt.
Nach der Durchströmung des Hochdruckteils strömt der Dampf aus einem Ausströmbereich 17 in einen nicht näher dargestellten Zwischenüberhitzer und wird dort auf eine höhere Tempera- tur und auf einen höheren Druck gebracht. Dieser erhitzte Dampf strömt anschließend über nicht näher dargestellte Leitungen in einen Mitteldruckeinströmbereich 18 in die Kompakt-Dampfturbine 1 ein. Der im Zwischenüberhitzer erhitzte Dampf strömt hierbei an den Laufschaufeln 15 und Leitschau- fein 9 vorbei und wird hierdurch entspannt und abgekühlt. Die Umwandlung der inneren Energie des zwischenüberhitzten Dampfes in eine kinetische Energie bewirkt eine Rotation der Turbinenwelle 3. Der im Mitteldruckteil 7 ausströmende und entspannte Dampf strömt aus einem Ausströmbereich 19 aus der Kompakt-Dampfturbine 1. Dieser ausströmende und entspannte Dampf kann in nicht näher dargestellten Niederdruck-Teilturbinen eingesetzt werden. Die Turbinenwelle 3 ist in einem Lagerbereich 23 mit dem Außengehäuse 5 gelagert. Die Laufschaufeln 14, 15 sind nicht näher dargestellt. Der Frischdampf trifft zunächst auf den mittleren Bereich 16 der Turbinenwelle 3 und entspannt sich im Hochdruckteil 6. Der Frischdampf kühlt sich hierbei ab. Nach dem Zwischenüberhitzer strömt der aus dem Hochdruckteil entspannte Dampf mit einer hohen Temperatur wieder in den mittleren Bereich 20. Der zwischenüberhitzte Dampf strömt zunächst an der Stelle des Mitteldruck-Einströmbereichs 18 auf die Turbinenwelle 3 und entspannt sich und kühlt sich in Richtung des Mitteldruckteils 7 ab. Der im Mitteldruckteil 7 entspannte und abgekühlte Dampf strömt dann anschließend aus der Kompakt-Teilturbine 1. Die Turbinenwelle 3 weist ein hochwarmfestes Material auf. Das hochwarmfeste Material ist ein Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chromanteil. Das Innengehäuse 5 wird aus einem unterschiedlichen Material hergestellt. Insbesondere wird das Innengehäuse 5 aus einem Material mit geringerer Warmfestigkeit hergestellt als das Mate- rial aus dem die Turbinenwelle 3 hergestellt ist.
Das Innengehäuse wird insbesondere aus einem Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom hergestellt.
Unterschiedliche Materialien können für die Turbinenwelle 3 und für das Innengehäuse 5 in Hochdruck-Teilturbinen, in Mitteldruck-Teilturbinen, kombinierten Hochdruck- und Mitteldruck-Teilturbinen oder kombinierten Mitteldruck- und Niederdruck-Teilturbinen, Pumpen, Verdichtern, Gasturbinen oder Kompressoren eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsmaschine (1), mit einem Innengehäuse (5) und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle (3) , dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (5) und die Turbinenwelle (3) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei das Innengehäuse (5) aus einem Material mit geringerer Warmfestigkeit hergestellt ist, als das Material, aus dem die Turbinenwelle (3) hergestellt ist, wobei die Turbinenwelle (3) aus einem Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom und das Innengehäuse (5) aus einem Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom hergestellt ist.
2. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (5) und die Turbinenwelle (3) zumindest teilweise Bereiche aufweist, die zum Einsatz bei Temperaturen über 550°C ausgebildet sind.
3. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, ausgebildet als Dampfturbine.
4. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als Hochdruck-Teilturbine.
5. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als Mitteldruck-Teilturbine.
6. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als kombinierte Hochdruck- und Mitteldruck- Teilturbine.
7. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als kombinierte Mittel- und Niederdruck-Teilturbine.
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